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KAIST(카이스트)는 전기및전자공학부 장민석 교수 연구팀이 미국 캘리포니아공과대학교(칼텍), 한국표준과학연구원(KRISS), 미국 제이에이 울람(J.A. Woollam)과 공동으로 ‘바륨 타이타네이트(BTO)’의 광학적 특성을 폭넓은 파장 영역에서 정밀하게 규명했다고 8일 밝혔다.
BTO는 전기를 가하면 빛이 통과하는 특성이 달라지는 소재다. 이러한 ‘전기광학 효과’가 뛰어나 전기 신호를 빛에 실어 보내는 광변조기 등에 활용할 차세대 소재로 주목받고 있다. 기존에 널리 사용되는 리튬 나이오베이트를 대체할 수 있는 후보 물질로도 꼽힌다.
광통신 부품을 설계하려면 소재 내부에서 빛이 어떤 경로로 이동하고 얼마나 약해지는지 정확히 알아야 한다. 이를 판단하는 핵심 지표가 빛의 진행 특성을 나타내는 ‘굴절률’과 흡수에 따른 손실을 나타내는 ‘소멸계수’다.
복잡한 결정 구조에 가려졌던 빛의 특성 밝혀
문제는 BTO 내부에 방향이 서로 다른 작은 결정 영역인 ‘도메인’이 혼재한다는 점이다. 나뭇결 방향이 다른 나무 조각들을 이어 붙인 것처럼 각 영역이 빛에 다르게 반응한다. 이 때문에 빛의 편광 상태가 뒤섞여 소재 자체의 정확한 광학적 특성을 측정하기 어려웠다.
연구팀은 빛이 물질을 통과하거나 반사될 때 진동 방향이 어떻게 달라지는지 측정하는 ‘뮐러 행렬 분광 타원법’을 활용해 문제를 해결했다.
도메인 방향이 비교적 일정한 두 종류의 단결정 시료를 분석해 서로 다른 영역의 반응이 뒤섞이는 영향을 최소화했다. 여기에 여러 도메인의 방향과 비율을 반영해 결정 전체의 광학적 특성을 계산하는 방법도 개발했다.
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특히 기존에는 측정이 어려웠던 미세한 빛의 손실까지 수치화했다. 소재를 통과한 빛의 양을 별도로 측정하는 방법을 결합해 2~10마이크로미터 영역에서 10의 마이너스 5승 수준의 작은 소멸계수까지 정량적으로 확인했다.
광통신 부품 설계 정확도 향상…양자 광회로에도 활용
이번 연구의 의미는 BTO를 활용한 광통신 부품을 실제로 제작하기 전에 빛의 움직임과 손실을 더욱 정확하게 예측할 수 있게 됐다는 점이다.
기존에는 소재의 광학적 특성이 명확하지 않아 빛의 흡수를 무시하거나 단순화한 가정에 의존해 부품을 설계하는 경우가 있었다. 이 과정에서 실제 성능과 예측값 사이에 차이가 발생할 수 있었다.
연구팀이 확보한 데이터는 이러한 불확실성을 줄이는 데 활용될 것으로 기대된다. 광통신 부품의 크기와 구조에 따라 빛이 어떻게 전달되고 얼마나 손실되는지 사전에 계산할 수 있어 반복적인 제작과 수정에 필요한 시간과 비용을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.
활용 분야도 광통신에 한정되지 않는다. 초고속 광변조기와 빛의 이동 경로를 제어하는 광도파로, 빛을 내부에 가두는 광공진기뿐 아니라 양자 정보를 빛으로 처리하는 양자 광회로의 정밀 설계에도 활용할 수 있다. 새로운 파장의 빛을 만들어내는 광학소자 개발에도 기여할 것으로 예상된다.
장민석 카이스트 교수는 “이번 연구는 오랫동안 베일에 싸여 있던 바륨 타이타네이트의 빛 반응 특성을 밝혀, 소재의 ‘빛 사용 설명서’를 마련한 것”이라며 “이를 바탕으로 빛의 손실을 줄이고 정보를 빠르게 전달하는 광통신 부품과 정밀한 양자 광소자 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구에는 카이스트 강지원 박사과정생과 제이에이 울람의 니나 홍 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 광학 분야 국제학술지 ‘ACS 포토닉스(ACS Photonics)’에 지난 10월 20일 온라인 게재됐다.
